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不定积分第一类换元法

不定积分第一类换元法(凑微分法)

一、方法简介

设具有原函数F("),即F'(u)=/(«),jf(u)du=F(u)+Ct如果〃是中间变量,=(PM,且设0(劝可微,那么根据复合函数微分法,有

dF[cp{x)]=f[(p{x)](p\x}dx

从而根据不定积分的定义得

Jfl(p(x)]

则有定理:

设/(")具有原函数,“=卩(.工)可导,则有换元公式

Jfi(p{x)](p\x}dx=IJf(u)chi]ii=(x)

由此定理可见,虽然Jf[(p(x}\(p\x}dx是一个整体的记号,但如用导数记号牛中的dxUdy可看作微分,被积表达式中的力也可当做变量x的微分来对待,从而微分等式0(劝厶可以方便地应用到被积表达式中。

几大类常见的凑微分形式:

①Jf(ax+b)dx=—jf(ax+b)d(ax+Z?

)(aH0);

(2)j/(sinx)cosx^v=J/(sinx)6/sinx,J/(cosx)siiixtZv=-jf(cosx)(/cosx,f/(tanx)—=I*/(tanx)6/tanx,「f(cotx)—=-f/(cotxX/cotx;

Jcos^xJJsin~牙J、

3j/(Inx)-dx=j/(Inx)dInx,jf(ex)exdx=Jf(ex)dex;

X

4jVxx*■加=丄“X)必"(心o),”(丄)学-]7(丄)〃(丄),

71AXAA

=2j/(Vx)J(Vx);

J/(arctanx)=J/(arctanx)darctanx;

⑥复杂因式

【不定积分的第一类换元法]

巳知“(")〃"=F(")+C

求JgMdx=jf(

=\fWdu=F(“)+C【做变换,令"=(p(x),再积分】

=F(0(x))+C【变長还原,”=0(x)】

【求不定积分J*g(x)dx的第一换元法的具体步骤如下:

(0变换被积函数的积分形式:

]*&(切厶=]7(0(兀))0(切力

(2)凑微分:

Jg(x)dx=Jf(

(3)作变長代换u=(p(x):

Jg(x)dx=Jf((p(x))

(4)利用墓本积分公式J=F(“)+C求出原函数:

Jg(x)〃x=f/(0(X))0'(X)〃X=J傾>)=Jf(ii)du=F(“)+C

⑸将u=(p{x)代入上面的结果,回到原来的积分变星X得:

Jg(x)dx=Jf((p{xy)(p\x)dx=J/(如))〃0(x)=J=F(tt)+C=F((p(x))+C

【注】熟悉上述步骤后,也可以不引入中间变長"=卩(对,省略⑶(4)步骤,这与复合函数的求导法则类似。

 

二.典型例题

(心0);

①j*f(ax+b)dx=—Jf(ax+b)d(ax+b)

1.解:

令u=2x-\,du=2dx,

2.解:

令f=x2,

『_1『皿_1f(f+1-1)山

J1+JV‘2Jl+/2y/\+t

—J\/t+\d(t+1)—㊁J—;d(/+1)

=丄・-(r+1)1--・2皿7+0=丄(宀1£-Jl+F+C2323

3.解:

7一-:

JJW2),

Jl+F+Jd+b&1+小+(1+,)亍

令l+十=t

2jrj2山.耐J耐

\t+t^

=2Jl+、/7+C=2、/1+Jl++C

一打〃(1-小+打上二4J肛72」

=--x2x\/l-x4+—arcsinx2+C

42

=—(arcsinx2_)+C

2

(2)j/(siiiA)cosAzZr=j/(sinx)6/sinx,j/(cosx)sinxdx=-j/(cosx)Jcosx,

仝—=-ff(cotx\lcotx;sirrx」

f/(tanx)d\=f/(tanx)6/tanx,[/(cotx)-

Jcos^xJJ0

例1.Jtanxclx[2]

”r1+sinx+cosx,rn

例3J一———11

J1+sinr

例⑴

Jsinxcos^x

例2.口

Jsirrx

dx

sinxcos4x

”.rsinxcosxtfn

例钉卅

Jsinx+cosx

tanx

例4.

例7•设为常数,且心0,计算/彳一卢千一/"】Jcrsin*x+Zrcos*x

1•解:

设”=cos兀,du=—sinxdx,-du=sinAzZr

ftanxclx=fS'nX-dx=-f—=-ln(w)+C=-ln(cosx)+C」」cosxJu

2.解:

j*——dx=Jxj(cotx)=—ACOtX4-JCOtXtZv

=—xcotx+lnsinx+C

3解:

r+siz+cos%=「.卫_+厂/(cw)+

J1+sin~x」2-cosrJ2-cos"x

rcl(sinx)

Jl+2sin‘x

dx

dx

V2+COSX

=f聖r_—\=hi「二’八宀、+arctan(sinx)

」cos'x(2sec~x-l)2(2J2-cosx

In

+cosx,・、rdtanx

—=+arctan(suu)+

a/2—cosxj1+2tan~x

2?

2ln

、伍+COSXa/2-cosx

+arctan(siiu)+

arctan(V2tanx)+C

4•解:

J—訂

JSU1XCOSXJ

sin2x+cos2x

sinxcos4x

dx

sinx

cos4x

dx+

sin2x+cos2x

sinxcos2x

dx

 

=-f

dcosx

cos4x

cdeosx

」cos2x

dx

sinx

++Incscx-cotx+C

3cosxcosx

5•解:

fdxrdxrsin-x+cos'xr

=:

—=;——dtanx

Jsinxcos"xJtanxcosxJtanxcos"x

1+tan"x.1-||小

dtanx=—tan*x+ni|tan.xj+C

tanx

6•解:

令u=2x,再令"=cos”,

rsinxcosx,1r

4\~^x=_

Jsinx+cosx2J

sin2x,1「

;dx=-

〉1。

4J

cos~2x+—sin。

2x

2

1f(ICOSH_1r

__束—2丄1—1厂_"2J1+v2

22

=-—arctanv+C=-—arctan(cos2x)+C

22

sinu,

1•,〃"COS"U+—Sill"u2

dv

tanx

tanxdtanx

上rianxruinxuuinx

7,解:

訂cosU/tan?

"戸)0taMx+F

=—ln(^tan^+/r)+C

 

 

\f(ex)exdx=\f(ex)dex

例町册才

例2.Je5Wr[2]

dx

例打上一厶⑴

(1+丹

例l.\~C=dxw

JJk-2

例6.J

2”・3"

9V-4r

曲】

例8.

rIntanx,

dxJcosxsinx

1•解:

rdx

」x(l+21nx)

pd\nx

J1+2Inx

 

罟弓心叶c

3•解:

令“=3+4eA,chi=4exdx,

]]i

Je"曰汕蔦咖+c

=」ln(3+4k)+C

4

4•解:

令u=Inx,du=-dxx

=arcsin(lnx)+C

 

^^十丄+C

X

\+e2

6•解:

Jy_4V

=jJl

(宀

]

2(ln3-ln2)

In

In—

2

(2)v一i

2

3

(尹+1

 

 

2(ln3-ln2)ln|3x+2v

曲":

7=2j\d(J宀2)

yjCx—2

=2xjex-2-2j>lex-2dx

令丁-2=r2,ex=2+f\x=ln(2+r2),dx=——-dt

2+r

原式=2x^ex-2-f=2xylex-2-4f匚2二〃

J2+广J2+r

=2x^—2-4f(l-—^)dt

J2+r

(Intanx)2

2_

=2x\lex-2-4/+8・-^=arctan-L-+C

V2V2

8•解:

\111tanAdx=flntanAcltanx=fhitanxJ(lntanx)cosxsinx」tanxJ

=2xJ

x-2_4Je"-2+4、於arctuny—1-C

+C

4丄”X)必"(心0),f/(-)^=-f/(-W(-)

/IAA

jf(yfx)—^==2Jf(yfx)d(-Jx)

 

rarcsinvxfrn例一dxt,]

1•解:

d長

2Jx

j丘_

—^dx=2J严'dy[x

\lxv

对于右端第一个积分,凑微分得

[-rX--dx=-[(l-x2pJ(l-x2)=_71-X2+C

JVI-X2J

第二个积分中,用代换x=sin/

i^=d.x=『山cosM=fisj

J71-x2cost2

=--—sin2/+C=—arcsinx-—xVl-x2+C

2422

原式=larcsinx-丄(x+2)Jl-/+C

22

—!

—fJinx+a〃(lnx+a)+—!

—fy/\nx+bd(\nx+b)a—b)a-bJ

7•解:

=-2jl-xarcsin4x+2>fx+C

5打(arcsinx)<、=f/(arcsina)Jarcsinx

Vl-x2

ch

J/(arctanx)-_=|/(arctanx)r/arctanx;

arcco&t

例订孚h

例打竺竺.芝s

JQVl-x2

2•解:

3•解:

rarctanVxfr2arctanx,厂j/—fz厂、

—=dx=dy/x=2arctan-7xt/(arctanvx)

Jy[x(\+X)J1+XJ

=(arctanVx)2+C

fvl+arctanVx,rvl+^rctanVxf

=dx===——ax

JVx(l+x)JVx[l+(Vx)2]

=2J71+arctand(arctan\[x+1)

=—(1+arctan+C

3

4.解:

「xdx1「dx1pf/arcsinx2

Vl-x4(arcsinx2)32(arcsinA-2)371-x42J(arcsinx2)5

=-^-(arcsinx2)'2+C

5.解:

faics*nxJx=farcsinxJ(arcsinx)=—(arcsinx)2+C)yj\-X232

令x=sin/,

=5+C=-+C

..arcsinxJy=卜吓讼〃("「")=-arcsinx(S

JX1y/\-X2Jv%

—_—arcsinx+lnkvl+C

X

6复杂因式

 

1

1

=-^=arctan

72

A"7「1x2-l

—■=—fC=—arctan——fC

J2J2Q2x

 

1

arctan-〔〔〔〔

3•解:

\j^lx=_J(arctan—)J(arctan—)=-—(arctan—)2+C

1+x2

ln(x+\+.x)〃兀=J\能(尤+yl\+x2)〃(ln(x+y/x2+1))

=-[ln(x+Vl+x2)]2+C

3

 

 

=-excotx+fC

sinx

1.在下列各式等号右端的空白处埴入适当的系数,使等式成立:

(1)drdk%HO);

⑶・vdxd(5X2);

(2)d.vd(7r3);

(4)xdxd(lA2);

 

(5)

d(3疋2);

⑹e2vd.v

d(e2v);

dx

(8)—

x

(9)

dr

7T7

d(larcsinx);

xdx

(1(,)7T7

dVl-X2;

dx

(11)耐

d(arct;in3.v);

(13)(3A-2)d.v

d(2xX3);

dv

(12)市•

2x

(14)cos(—1)d.v

3

d(arctaily/2a);

dsin(—1).

3

求j*2cos2.vd.v.

4求卜Jl-Fd.v.

 

6求f/J.dx«>0).

Jy/a2-x2

8求Jsinlvdx.

例9求f—1-dA<;2为常教,:

C0)・

Ja-x

 

例11求Jcos3xc(>s2.vd.v.

例13求J

tan5xsec?

xdx

 

2•求下列不定积分:

l-2x

⑵J(3-2x)3dA;

b

dx

fdv

」xlnxlnlnx"

(8)jxe-1dv;

(9)

dx

sinxcosx

(10)JtanVl+x2

xdx

Jl+F

(14)

rsinx

Jcos3X

 

1、解被积函数中,cos2x是cosu与"2*的篦台函数,常数因于2恰好是中间变長

U2x的导数,因此作变長代换u2卫便有

J2cos2xdxjcos2x・2dx

cos2x・(2x)'dx=Jcosudu=sinu+C.

再以u2x代入,即得J2c()s2.vd.vsin2.v+-C

2、解

磊可看成士与“2+的复台函数,被积函教中虽没有2这个因于,但

我们可以凑出这个因于:

]£]

2x+522x+5

7^•(2.V+-5)*,

2x+5

从而令u

2卄5,便有

rl衣J厂

7lnI

般地,对于积分]7(如总可以作变星代换”卅b,把它化为

J/(«A+^)d¥=J—

3、解ftan.vd.vfdx=-

JJcosx

j

11

-―-(2卄5)氐=-2x+52J2x+5

\u\+C=-ln|2x+5|+C

2

COSX

d(2x+5)=丄[-du

2Ju

寸6)=f[j/.

(cosx)'dx=一f—!

—d(cos劝令“=COSXJcos牙■=

ln|z/|+Cln|cosx|+C.

类似地可得Jcot

•vdxInsinx

+C

4>解\x

—Jy/\—X2(1—X")'d.v=

IJ(1-x2)2d(lx2)

]313

"-3/?

+C3

在对变呈代换比较熟练以后,就不一圭写出中间变長

5、解

-[—1一d(-)"+(.2G

a

只需做到“心中有er即可.

Xx1X

)—arctail—+C・

aaa

6、解

xarcsin—+C.

7、解

Jsin3.vdx=J(1-cos2x)sinEx

J(1—cos"a)d(cosx)

Jd(COSA)+JCOS~xd(CQSA)

 

13

cos.r*-—cosx+C.

3

gr・*>rl-cos2x1ff1e1

8解Jsin"e*jdy—jdx—Jcos2xd(2©—x

222

sin2x+Q・

类似地可得

r211.j

COS.vd.v=—yH—sin2y+C・

J24

ln|secx+kmx|+C

类似地可得

jescxd.vIn|cscx-cotx|+C.

11、解利用三角函数的积化和差公式有

—sin.\H-—sin5x+Q・

210

13、解Jtan、xse

xd*jtan4xsec2xscca^uiaxI.vj(sec2x-1)2sec2xd(secx)

|(sec6x-2sec4x+sec2x)dsecx

172513

—secx——secx+-secx+C・753

4-解:

J斜訂存叮右旅

(5)j/(liix)—dx=J/(Inx}dInx,

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